Переломи кісток та хірургічна резекція для видалення ракових пухлин призводять до утворення більших дефектів, які зазвичай вимагають використання трансплантатів кісток або металевої реконструкції. Протягом багатьох років наука досліджувала різні методи загоєння пошкоджених кісток, від трансплантатів із яєчної шкаралупи до п'єзоелектричних каркасів.
У новому дослідженні корейські та американські вчені розробили та протестували модифікований клейовий пістолет, який друкує кісткові трансплантати безпосередньо в області переломів та кісткових дефектів під час операції. Дослідження опубліковано у журналі Device.
"Наша технологія пропонує унікальний підхід, заснований на розробці системи друку in situ, яка дозволяє виготовляти й встановлювати каркас в режимі реального часу безпосередньо на місці операції", - сказав Чон Син Лі, співавтор дослідження і доцент кафедри біомедичної інженерії Університету Сонгюнгван (SKKU), Південна Корея. «Це дозволяє досягти високоточної анатомічної відповідності навіть за наявності нерегулярних чи складних дефектів без необхідності передопераційної підготовки, такої як візуалізація, моделювання та обрізка».
Дослідники створили пристрій, модифікований на основі клейового пістолета, здатний друкувати за низьких температур, що робить його безпечним для використання на живих тканинах. Пристрій використовує стрижні з композиту полікапролактону (ПКЛ), біорозкладного полімеру, гідроксиапатиту (ГА), мінералу, природно присутнього в кістках, який можна розплавити та екструдувати в кісткові дефекти. Токсичні розчинники не знадобилися. Молекулярна маса ПКЛ та кількість ГА варіювалися для регулювання міцності, еластичності та швидкості деградації. Вони протестували міцність на стиск, міцність на вигин, адгезію до кістки та деградацію в умовах, що імітують умови, характерні для організму. Дослідники також виявили, що в матеріал можна включати антибіотики (ванкоміцин і гентаміцин).
Спочатку вони протестували композит для загоєння кісток на мишачих преостеобластах (які розвиваються в кістковоутворюючі клітини, звані остеобластами) і стовбурових клітинах кісткового мозку людини, щоб перевірити токсичність та здатність композиту підтримувати зростання кісткових клітин. Потім дослідники перейшли до моделі кролика з дефектом стегнової кістки, який був надто великим для природного загоєння. Вони порівняли свій композит, надрукований на 3D-принтері, з комерційним кістковим цементом, який зараз використовується протягом 12 тижнів.
"Завдяки компактному пристрою та ручному управлінню хірург може регулювати напрям, кут і глибину друку під час процедури в режимі реального часу", - сказав Лі. "Крім того, ми продемонстрували, що цей процес може бути завершений за лічені хвилини. Це підкреслює значну перевагу з погляду скорочення часу операції та підвищення ефективності процедури у реальних хірургічних умовах".
Дослідники виявили, що композит ставав міцнішим та еластичнішим при додаванні гіалуронової кислоти (ГА), яка уповільнювала деградацію матеріалу, забезпечуючи достатню довговічність каркаса для підтримки зростання нової кістки. Адгезія до кістки покращувалась при збільшенні ваги полікапролактаму (ПКЛ), але дещо знижувалася при додаванні надто великої кількості ГА. У лабораторних випробуваннях покриті антибіотиком каркаси ефективно пригнічували зростання бактерій, особливо ефективним був гентаміцин. Токсичність не виявлена. ГА посилював прикріплення кісткових клітин, проліферацію та диференціювання клітин-попередників у кісткові клітини.
"Цей підхід з локального доставляння має значні клінічні переваги в порівнянні з системним застосуванням антибіотиків, потенційно знижуючи побічні ефекти та обмежуючи розвиток резистентності до антибіотиків, при цьому зберігаючи ефективний захист проти післяопераційної інфекції", - сказав Лі.
В експериментах на тваринах каркаси, надруковані за допомогою клейового пістолета, підтримували формування нової кістки краще, ніж традиційний кістковий цемент. Мікро-КТ показала, що протягом 12 тижнів після операції надрукований каркас сформував міцнішу, природнішу структуру кістки без ознак пошкодження тканин або патологічного запалення. Однак зазначається, що, хоча загоєння проходило значно краще порівняно з кістковим цементом, дефекти на той час були повністю заповнені.
"Матрична структура була розроблена не тільки для біологічної інтеграції з навколишньою кістковою тканиною, але і для поступової деградації з часом і заміщення новоствореною кісткою", - сказав Лі. «Результати показали, що група, яка використовує друк, продемонструвала чудові результати за ключовими структурними параметрами, такими як площа поверхні кістки, товщина кортикального шару і полярний момент інерції, що свідчить про більш ефективне загоєння та інтеграції кістки».
Товщина кортикального шару в кістках - це вимірювання зовнішнього, щільного шару кісткової тканини, що є показником міцності та щільності кістки. У біометрії кісток полярний момент інерції - це властивість поперечного перерізу кістки, що вимірює її опір скручування (торсіонна напруга).
Цей експериментальний метод кісткової пластики може сприяти персоналізації ортопедії. Хірурги зможуть носити цей персональний пристрій в операційну та друкувати індивідуальні кісткові імплантати безпосередньо там, де це необхідно, у тому числі для нестандартних дефектів. Вбудована система доставляння антибіотиків може знизити ризик післяопераційних інфекцій, які є основною причиною невдач ортопедичних імплантатів. Це буде швидше і дешевше, позбавляючи дорогого та трудомісткого виробництва імплантатів. Крім того, пристрій можна адаптувати до різних типів травм кісток та потреб пацієнтів, використовуючи інші біорозкладні матеріали або лікарські добавки. Але потрібно виконати ще чимало роботи.
"Клінічне впровадження вимагатиме стандартизованих виробничих процесів, валідованих протоколів стерилізації та доклінічних досліджень на великих тваринах для відповідності стандартам регулювальних органів", - сказав Лі. "Якщо ці етапи будуть успішно реалізовані, ми очікуємо, що цей підхід стане практичним і доступним рішенням для відновлення кісток безпосередньо в операційній".
